BİNALARIN AERODİNAMİK BİÇİMSEL yAPISININ İRDELENMESİ

ANKARA - TURKIYE
BİNALARIN AERODİNAMİK BİÇİMSEL YAPISININ İRDELENMESİ:
BİNA FORMU VE RÜZGAR İLİŞKİSİ
INVESTIGATION OF FORMAL STRUCTURE OF BUILDING
AERODYNAMICS:RELATIONSHIP OF BUILDING FORM AND WIND
Serpil PALTUNa *, Doç.Dr. Arzuhan Burcu GÜLTEKİNb ve Prof. Dr. Gülser ÇELEBİ
a*
Gazi Üniversitesi, Mimarlık Fak., Mimarlık Böl., Ankara, [email protected]
b
Gazi Üniversitesi, Teknik Eğitim Fak. Yapı Eğitimi Böl., Ankara, [email protected]
c
Alanya HEP Üniversitesi, Sanat ve Tasarım Fakültesi, Antalya, [email protected]
Özet
432
Bu çalışmanın amacı; yüksek binalarda bina formunun bina
aerodinamiğine etkisinin irdelenerek rüzgar tüneli testleri ile
bina aerodinamiğinin analiz yöntemlerinin ortaya konulmasıdır.
Yükseklik artıkça rüzgar hızının ve rüzgar yükünün artması ile
farklı bina formu tasarım yöntemlerinin arayışı, çalışmanın çıkış
noktasıdır. Yükseklik arttıkça rüzgar hızının artması nedeniyle
yüksek binaların rüzgar yükü karşısındaki davranışlarının
tasarlanması oldukça önemlidir. Bir binayı bütün olarak
düşünmek gerekirse, binayı etkileyen rüzgar yükünün
bina tasarımında etkilerini bütünleşik olarak düşünmek
gerekmektedir. Binanın formunun geometrisi ve bina formunda
oluşturulan değişiklikler yüksek binalara etkiyen rüzgar yükünü
etkilemektedir. Literatürde binaya etkiyen rüzgar yükü, rüzgar
tüneli simülasyonu ya da rüzgar tüneli testleri ile incelenmiştir.
Bu çerçevede, çalışmada bina kavramı ve yüksek bina formları
tanımlanarak rüzgar ve bina formu ilişkisi irdelenmiştir.
Anahtar kelimeler: Yüksek Binalar, Rüzgar, Bina Aerodinamiği,
Bina Formu, Rüzgar Tüneli
Abstract
The aim of this study is to examine the effect of building form
in building aerodynamics and reveal the analysis method of
building aerodynamics with wind tunnel tests. With the increase
of the wind speed and wind load according to the height, quest
of different building form design method is the starting point of
this study. Due to the increase of the wind speed with height,
design of the behavior of the high-rise buildings against wind
load is very important. If we need to think a building as a whole
structure, we need to think the effect of wind load on building
as a whole also. Changes in the building form geometry and
building form, effects the wind load on high-rise buildings. In
the literature, the wind load acting on the buildings analyzed
by wind tunnel simulation or wind tunnel tests. In this context,
firstly building concept and building forms defined in this study,
and then relationship of wind and building form is discussed.
Keywords: High-Rise Buildings, Wind, Building Aerodynamics,
Building Form, Wind Tunnel
1. Giriş
Bina yapımı ülke ekonomilerinin önemli bir parçasını
oluşturmaktadır. Binalar tasarım ve yapımdan, geliştirilme
ve yenileme aşamalarına kadar büyük miktarlarda malzeme,
doğal kaynak ve enerji kullanırlar. İnşaat için seçilen ürünler
sadece kaynakları ve enerjiyi tüketmez aynı zamanda hava
ve su kirliliği de oluşturur. Mimarlığın bir eylem olarak önemli
ölçüde çevre etkisi yaratmakta olmasına karşın mesleğinin
çevreyle ilişkisinin sorgulanması yakın geçmişte insana bağımlı
olarak gerçekleştirilmiş ve bu da konunun görsel, fizyolojik ve
psikolojik etkilerle sınırlı kalmasına neden olmuştur. Oysa bugün
enerji ve doğal kaynakların tükenmekte olduğu gerçeği, fosil
yakıtlarının fazlaca kullanımının açığa çıkardığı karbondioksit
oranı ve buna bağımlı olarak gezegenimizin yaşadığı iklimsel
değişimler, toplumları her sektörde üretim ve tüketim biçimlerini
tekrar gözden geçirmeye yöneltmiştir. Doğal olarak bu
değerlendirmeden mimarlık da payını almıştır [1].
Teknolojik imkanların ve ihtiyaçların etkisiyle yüksek binalar
hayatımıza her geçen gün daha fazla girmiştir. Bu gelişme
28 - 30th May 2015 | Ankara - TURKIYE
yüzyılın başlarında ekonomik gelişmelerle en çok Amerika
Kıtası’nda görülmüş, ihtiyaçlara cevap verebilmek için birçok
yüksek bina yapılmıştır. Bu gelişim yüksek binalarla ilgili
sorunları da beraberinde getirmiştir. İşte bu sorunların en
önemlilerinden biri de yüksek binalara rüzgar etkisidir. Rüzgar
kullanıcı konfor koşulları, titreşim ve binanın strüktürel
tepkileri nedeniyle yüksek binaların aerodinamiği açısından
önemli bir tasarım parametresidir.
Günümüzde farklı form ve cephe tasarımları ile kendini
gösteren yüksek binaların tasarım aşamasından itibaren rüzgar
etkisinin dikkate alınması gerekmektedir. Yükseklik arttıkça
artan rüzgar hızı da artmaktadır. Yüksek binaların formlarındaki
farklılıklar binaların aerodinamiğini etkilemektedir. Bu nedenle,
bina aerodinamiği konusunda rüzgardan olumsuz etkilenen
binalar yerine rüzgarın olumsuz etkisini en aza indirerek rüzgar
ile bütünleşik binalar tasarlanması gerekmektedir. Yüksek
binaların her ülkede yaygın olarak inşa edilmeye başlanması,
yüksek binalara etkiyen rüzgar yükü ve etkileri konusunda
yönetmelik ve standartların oluşumunda etkili olmuştur.
2. Yüksek Binalar ve Bina Formları
2.1 Yüksek Bina Kavramı ve Tanımı
Yüksek Bina ve Şehir Habitatı Konseyi’ne (CTBUH) göre, on
kat ve üzeri binalar yüksek bina olarak tanımlanmaktadır.
Bu yükseklik New York’ta gökdelenler oluşmaya başladığı
dönemdeki itfaiyenin ulaşabileceği maksimum yüksekliktir.
Günümüzde ülkelerin geçerli yönetmeliklerine göre yüksek bina
için, kat sayısı ya da yapının toplam yüksekliğine göre farklı
tanımlar mevcuttur. ABD için 6 kat ve fazlası yüksek bina, 150
m’den yüksek binalar ise gökdelen olarak adlandırılmaktadır.
Almanya’da ise zeminden 22 m ve daha fazla yükseklikteki
binalar yüksek bina olarak tanımlanmaktadır [2]. Bu anlamda
22 metre ve üzeri binalar için yüksek bina, 60 kat ve üzeri için
de gökdelen tanımı yapmak uygun olacaktır [3].
Bina türleri açısından yüksek bina; taşıyıcı sistem, tesisat,
cephe sistemleri, düşey sirkülasyon çözümleri, yangın önlemleri
açısından karmaşık sistemleri gerektiren binalardır [2].
Teknolojik açıdan bakıldığında yüksek bir bina; düşey ve yatay
yüklere karşı dayanım sağlayarak daha yükseğe daha geniş
kiralanabilir alanlar ile ulaşmayı hedefleyen yenilikçi taşıyıcı
sistem tasarımları, yeni kazı yöntemleri ve temel sistemleri,
daha hızlı asansörler, yenilikçi iklimlendirme sistemleri, geniş
cam yüzeyler, iç aydınlatma, haberleşme, görüntüleme ve
güvenlik sistemleri ile temizlik robotları gibi bir dizi yeniliğin
ortaya çıkardığı bina türüdür [4].
Yüksek binalar 19.yüzyıl sonlarında ABD’de çok fazla uygulama
imkânı bulmuştur. Günümüzde bütün dünyada, hızlı bir şekilde
ve değişik formlarda, gittikçe artan kat yükseklikleriyle;
özellikle Kore, Çin, Japonya ve Malezya gibi Asya ülkelerinde
ve Arap Emirlikleri’nde yapımına devam edilmektedir [4].
Yüksek Bina ve Şehir Habitatı Konseyi (CTBUH) yüksek binaları,
New York şehrinde itfaiyecilerin ulaşabildiği yükseklik sınırı
olan 10 kat ve üstündeki binalar olarak tanımlanmaktadır.
Günümüzde itfaiyeciler 10 katın üzerine ulaşabiliyor olsalar
da hala bu tanım kullanılmaktadır. Amerika Isıtma Soğutma
ve İklimlendirme Kurumu’nun (ASHRAE) tanımına göre ise,
yüksekliği rüzgarı kapsayan genişliğinin üç katından daha
fazla olan binalar yüksek binalar, Altan Öke ise, ‘İstanbul’un
geleceği ve gökdelenler’ panelinde yaptığı konuşmada yüksek
yapıları şöyle sınıflandırmaktadır: …Birinci kategori: Yüksek
olmayan 8-12 kat arası, bugün teknolojinin gelişmesine paralel
olarak kalfaların imal edebildikleri ve Türkiye’de çok örneğini
gördüğümüz binalardır. İkinci kategori aslında; 12-20 kat arası
iken biraz yukarı çekilerek 15 kat a kadar zorlanabilen, 12-25
kat arası binalardır. Üçüncü kategori;25 ile 50-55 kat sınırı
arasındaki binalardır ki, bu binalar özel tedbirlerin alınmaya
başlandığı bina türleridir. Dördüncü kategorideki binalar,
55-75 kat sınırı arasındaki ve nihayet, 75 katın üzerindeki
binalar, “süper gökdelen” olarak adlandırılırlar. Kat adedi 70110 arasında değişen bu binaların sayısı halen dünyada 10’u
geçmemektedir [5].
Bir yüksek binayı gökdelen olarak tanımlayarak ayırmak
zordur. Her şeyden önce dış görünüş itibari ile uzunluk göreceli
bir kavramdır. Sıradan bir 5 katlı bina bile uzun gözükebilir.
Avrupa’daki bir şehirde yer alan 20 katlı bina orası için
gökdelen sayılabilir. Fakat Chicago ve Manhattan gibi çok
sayıda gökdeleni olan şehirler için 70-100 katlı binalar ancak
komşularıyla kıyaslandığında gökdelen sayılabilir. Özetle,
gökdelenlerin kat sayılarına göre tanımlanması zordur [5].
2.2. Yüksek Bina Formları
Yüksek binalar, şehirlerde geniş alanlardan algılandıkları için
sembolik bir takım kaygılarla tasarlanır ve şehir için ikon haline
gelebilir. Gökyüzüne doğru çeşitli formlarda, değişik cephe
kaplama malzemeleri ve farklı görüntüleri ile şehrin sembolü
olabilmekte, ekonomi, güç bazen de kültürel birtakım değerleri
yansıtmaktadırlar. Bir kent için bu kadar önemli bir binanın/
binaların tasarımı için mimar, mühendis ve pek çok farklı
alandan uzman kişilerin bir arada çalışması gerekir [4].
Yüksek binaların formu; fonksiyonları, taşıyıcı sistem seçimi ve
planda geometrik biçimlerin kullanılmasına göre belirlenir. Genel
olarak yüksek binalarda form, mimari bakış açısına göre; plan,
kesit, dış görünüm, denge ve sadelik, oran ve ölçek, mekanların
birbiri ile ilişkisi, görsel etki, stil ve süsleme olarak strüktürel
bakış açısına göre; şekil ve büyüklük, boyutlar, dayanıklılık,
stabilite, etkinlik ve ekonomi, sadelik ve açıklık, hafiflik ve
incelik özelliklerine göre ele alınır [2]. Form seçiminde; birçok
mimari akım, bölgesel özellikler ve ortak kültür, taşıyıcı sistem
özellikleri ve teknolojileri, çekirdek sistemler ve çözümleri
etkili olmuştur.
433
2nd International Sustainable Buildings Symposium
Bazı binalarda, taşıyıcı sistem görsel olarak kullanılmakta,
dışarıdan algılanabilmektedir. Yüksek yapıların formlarının
gelişimi taşıyıcı sistem ve teknolojinin ilerlemesiyle yakından
ilgilidir [4].
Yüksek binalar, Şekil 2.1.’de görüleceği gibi temel geometrik
biçimler ve bunların çeşitli kombinasyonlarıyla simetrik
planlı olabilmekte ve bu da binanın dengeli, stabil olmasını
sağlamaktadır. Yüksek binalar düşeyde oluşturdukları kütle
biçimine göre prizmatik, gittikçe daralan veya yükseldikçe içe
çekilen binalar olarak tanımlanabilir.
Resim 2.1. Zemin ve bitiş durumuna göre formlar [4].
Günümüzdeki yüksek binalarda kullanılan gelişmiş formların,
modern mimarinin kutu biçimli binalarına tepki olarak ortaya
çıktığı görülmektedir [4]. Geçmişte serbest formlar ve düzensiz
biçimler, Peter Eisenman ve Frank Owan Gerry gibi mimarlar
tarafından kullanılmıştır. Günümüzde taşıyıcı sistemlerin
gelişmesi ve bilgisayarlı tasarım yöntemleri ile uzaktan
simge olarak algılanabilen serbest formlu yüksek yapılar
tasarlanmaktadır.
Tarihsel
olarak,
yüksek
binaların
gelişimi
teknolojik
gelişmelere dayanmaktadır. Teknolojinin sürekli olarak gelişimi
yüksek bina tasarımı ve planlamasını etkilediği gibi, mimarlık
434
mesleğinin de hızlı teknolojik ilerlemelere ayak uydurarak
değişmektedir. Önemli ve hızlı teknolojilerden bir tanesi
yüksek binaların kompleks strüktürel sistemini analiz etmek
ve yapım dokümanları oluşturmak için bilgisayar kullanımıdır.
Ancak, dijital araçlar mimari tasarıma yardımcı olmak amacıyla
yenilikçi yüksek bina formları oluşturmak karşılaştırılabilir
oranda ilerlemiştir [6].
Yüksek bir bina kentsel çevrede çok güçlü bir sembolik değere
sahiptir. Şehirler için övgü sembolü olmasının yanında aynı
zamanda ulusal tanınmışlığın da sembolüdür. Gelişmiş yüksek
bina tasarımı yaklaşımı profesyonel tartışmanın açık konusu
ve tasarımdaki mimarın rolü form oluşturma açısından oldukça
önemlidir. Bu nedenle, Şekil 2.2.’de yer alan yüksek bina formu
tasarım elemanları ortaya konulmuştur. Yakın zamanda, bazı
Şekil 2.1. Plan şemaları açısından çokgenlerden türetilen
simetrik formlar [4].
Binanın düşey ekseni etrafında aşağıda sıralanan 4 ana form
söz konusu olup, Resim 2.1.’de zemin ve bitiş durumlarına göre
formlara yer verilmiştir [4]:
•
Yükseldikçe daralan formlar
•
Bir eksen etrafında dönen formlar
•
Eğrisel biçimler
•
Değişken kesitli formlar
mimarlar yüksek binaların formlarının biraz daha kompleks
geometriye sahip ve önceki formlardan daha özgün tasarımlar
sunmaktadır [6].
28 - 30th May 2015 | Ankara - TURKIYE
Şekil 2.4. Üretilen Formların Örnekleri [6]
2.3. Rüzgar ve Bina Formu İlişkisi (Bina Aerodinamiği)
Şekil 2.2. Yüksek Bina Formu Tasarım Elemanları [6]
Yüksek binaların gelişiminde binanın formu, binanın davranışı
ve estetiğini etkileyen en büyük unsurlardan birisidir. Ancak,
mimari, strüktürel ve estetik olarak, yüksek binalar için çok
sayıda bileşenle entegrasyonu nedeniyle en uygun formu
geliştirmek oldukça karmaşık bir iştir [6].
Geometri, bina formu ve strüktürünün üretiminde en kritik
role sahiptir. Şematik tasarımdaki geometri, tasarımdaki fikri
keşfetmeye yardımcı olmaktadır. Her bir geometrik şekil, kendi
mimari ve strüktürel karakteristiğine sahiptir. Yüksek binalarda
bina formu çok çeşitli geometrik şekillere dayanmaktadır [6].
Binalardaki rüzgar etkileri ile ilgili kaygılar erken dönem
insan yerleşimlerine kadar uzanmaktadır. Birçok antik
kentin tasarımında ortaya konan tasarım ilkelerinin Eski Çin
hanedanlarının şehir geliştirmedeki Feng-Shui (rüzgar-su)
ilkeleri gibi tekrar gündeme gelmesinden de anlaşılabileceği
gibi bugün de geçerliliğini koruduğu söylenebilir [7].
Endüstri devriminden sonra, şehir planlamasında, Avrupa’da
1870’te Nuremberg’de konutların her odasında doğal
aydınlatma şartını hesaba katan, 1874’te binalardaki ışık
ve hava yeterliliğinin sağlığı korumak için gerekli olduğu
söylenen İsveç yasalarında, 1900’lerde Viyana’da fabrikalardan
çıkan dumanı şehir dışına taşımak amacıyla, şehir ve bölge
planlamada hakim rüzgar dikkate alınmıştır. Benzer şehir
planlama prensiplerinin çağdaş uygulamalarda deneysel,
sayısal tasarım tekniklerinin gelişimine koşut birçok örneği
vardır [7].
Bugün ise rüzgar tünellerinde binalar etrafındaki akım
problemleri, ısıl dengeler gibi diğer iklim elemanlarını da içerecek
şekilde çok boyutlu olarak incelenmeye devam edilmektedir.
Aynı zamanda Şekil 2.5.’te de görüldüğü gibi arazide, şehirsel
açık mekanlarda gerçek koşullarda ölçüm çalışmalarıyla deney
çalışmalarının test edilmesi veya benzetişiminin geliştirilmesi
olanakları aranmaya devam etmektedir [7].
Şekil 2.3. Simetrik Geometrilerin Oluşumu [6]
Kavramsal tasarım aşamasında yaratıcılık ve üretim oldukça
önemlidir. Seçilen geometriler ve uygun giriş parametreleri ile,
form üretim programı gerçekleştirilmektedir. Dönme, ölçekleme
ve geçiş gibi işlemler birçok temel şekilde uygulanmıştır. Bu
süreçte, formlar bazı kombinasyonlar ile yeni geometrilere
dönüştürülebilmektedir [6].
Bu bağlamda, bina formu (geometrisi) ve rüzgar enerjisi
arasındaki ilişkileri ortaya koymak amacıyla Şekil 2.3 ve Şekil
2.4’de gösterilen analiz çalışmaları yapılmıştır.
Şekil 2.5. Binalar etrafında oluşan hava akımları şemaları [7]
Bina aerodinamiğin ana konularından biri, binalar etrafındaki
veya kentsel doku içersinde oluşan hava akımlarının
karakteristiklerinin ortaya konmasıdır. Şekil 2.6’da de görüldüğü
435
2nd International Sustainable Buildings Symposium
gibi; binaların rüzgar üstü yüzeyine çarpan hava molekülleri
yüzeye çarptığı anda durmakta, yüzeyi yalayarak yönünü
değiştirmekte ve sonunda bu yüzeyden kopma noktasında
ayrılarak yan yüzeyleri takip ederek bina arkasındaki iz
bölgesini oluşturmaktadır [7].
Şekil 2.6. Dikdörtgen binanın etrafındaki hava akışı [7]
Birbiri tarafından itilen ve farklı hız değerlerine sahip olan
hava molekülleri girdaplar oluşturmaktadır. Bina çevresinde
böylece hızı ve esme yönü değişken konforsuz alanlar
oluşmaktadır. Binaların geometrisine ve ölçüsüne bağlı olarak
değişen bu oluşum tasarım aşamasında yapılacak çalışmalarla
giderilebilecektir [7].
436
rüzgar ise, daha önce bahsedilen salınım, sarsıntı, gibi bina ve
insanlar üzerindeki olumsuz etkileri yaratır. Bu yüzden rüzgar
tasarımı aşamasında, yüksek binalarda yaşayan insanların
rahatı için, dikkate alınması gereken en önemli rüzgar etkisi
çapraz rüzgar etkisidir [5].
Şekil 2.8. Rüzgarın, basitleştirilmiş, iki boyutlu akış şeması [5]
Çapraz rüzgar etkisini azaltmanın başlıca yollarından biri
doğru plan formu seçimidir. Her plan formu, rüzgar yükleri
etkisi altında değişik davranışlara sahiptir. Seçilen plan formu
için bir taşıyıcı sistem çözümü ortaya çıkacaktır ve binanın, bu
yüklere karşı dayanıklı olmasını sağlayacaktır. Karşılaşılan
sorun binanın aerodinamik özelliklerinin ne ölçüde rüzgar
etkilerine duyarlı olduğudur. Şekil 2.9.’da bu kapsamda yapılan
çalışma örneğine yer verilmiştir. Yapılan araştırmalar, rüzgar
tüneli testleri, köşeli plan formlarının yuvarlak plan formlarına
nazaran daha verimli olduğunu göstermektedir. Binanın rüzgara
karşı plan formu tasarımındaki ana amaç, binayı etkisi altına
alan rüzgarı şaşırtmaktır. Yuvarlak bir plan formunda rüzgar,
hangi yönden eserse essin, binaya dik olacaktır. Bu da binanın
çapraz rüzgar yönünde her koşulda bi salınımının olacağını
ortaya koymaktadır. Binada rüzgarın etkileyebileceği ne kadar
çok yüzey varsa, binanın rüzgara karşı plan formu verimi o
kadar azalmaktadır [5].
Şekil 2.7. Dikdörtgen ve L biçimli bina yüzeylerinde hava
basıncı [8]
Bina aerodinamiğinin diğer bir inceleme konusu ise, Şekil
2.7.’de görüldüğü gibi, binalara rüzgar tarafından uygulanan
kuvvetlerdir. Rüzgar basınçları belirlenirken temel rüzgar
hızının karesi alınır, bu nedenle, rüzgar hızı arttıkça rüzgar
basınçları katlanarak artmaktadır [9].
Genel olarak, bir kütleyle karşılaşan rüzgar, kütle üzerinde
kaldırma kuvveti ve üç dik yönde moment yaratır. Rüzgar
mühendisliğinde, rüzgarın bazı kuvvet özellikleri çok az
olduğundan, örneğin kaldırma kuvveti, rüzgar üç boyutlu değil
iki boyutlu varsayılır. Paralel rüzgar, rüzgarın ta kendisidir.
Çapraz rüzgar ise, bir çok yüksek binada daha dominant olan,
paralel rüzgara dik konumdaki rüzgardır. Paralel rüzgar bina
üzerinde sürükleme etkisi yapar ve taşıyıcı sistemi inanılmaz
stresler altına sokar. Bu kapsamda, şekil 2.8.’de rüzgarın
basitleştirilmiş iki boyutlu akış şemasına yer verilmiştir. Çapraz
Şekil 2.9. Köşeli plan formları dairesel plan formlarına
nazaran rüzgar yüküne karşı dahaverimlidir [5]
Bina aerodinamiğinin konusu, binaya etki eden rüzgar yükleri
ve basınç dağılımlarının belirlenmesidir. Bu nedenle, binalar
etrafındaki hava akış şekillerinin belirlenmesi, kentsel
alanlarda rüzgar çevre koşullarının tahmininde önemli role
sahiptir [10].
28 - 30th May 2015 | Ankara - TURKIYE
Yüksek binalar, rüzgar gücünün bina yüksekliği ve formu ile
artış göstermesi nedeniyle rüzgar etkisi karşısında daha hassas
davranış göstermektedirler. Yüksek binaların çeşitli formları
ve bu formların aerodinamik özellikleri birçok araştırmacı
tarafından incelenmiştir. Yapısal tasarım ve kullanıcı konforu
için yüksek bir binanın rüzgar karşısında gösterdiği dinamik
davranışları kabul edilebilir sınırlar içerisinde yeralmalıdır.
Aerodinamik olarak uygun bina formu, yüksek bir binanın
tasarım aşamasının ilk başlarından itibaren karar verilmesi
gereken bir tasarım kriteridir [11].
Konu ile ilgili literatürde yer alan bir çok çalışma, bina formu ve
bina kesit geometrisinde yapılacak aerodinamik değişikliklerin
bir çok binada rüzgar etkisini kontrol altına alacağını
göstermektedir [12].
Resim 2.2’de gösterilen Burj Dubai Tower örneğinde görüldüğü
gibi; binanın plan kesitinin, binanın yüksek bölümlerinde
‘formu değiştirerek’ küçültülmesi, rüzgar enerjisinin
etkisini farklılaştırarak binaya etkiyen rüzgar kuvvetlerini
azaltmaktadır. Bilinen bir gerçektir ki, bina formunun yanal
direncin korunması üzerinde önemli etkisi bulunmaktadır. Eğer
bina formu sadece dikdörtgenler prizması ile sınırlanırsa, bu
form yanal rüzgar etkisine maruz kalmaktadır. Silindir, elips,
üçgen ve diğer bina formlarına, dikdörtgenler prizması şeklinde
olan binalardan daha az yanal kuvvet etki etmektedir [13].
olan binalara kıyasla % 20-40 azalmaktadır [14]. Dolayısıyla,
birçok ünlü binada, aerodinamik olarak olumlu etkileri bulunan
bina formları tercih edilmektedir.
3. Rüzgar Tüneli Testleri İle Bina Formunun Bina
Aerodinamiğine Etkisinin Analizi
3.1. Rüzgar Tüneli Testleri Tanımı
Rüzgar tüneli testleri, rüzgara karşı duyarlı binalar olan
yüksek binalar üzerinde rüzgar etkilerini değerlendirmek
için endüstri çapında kabul görmüş araçlardır. Aerodinamik
rüzgar tüneli testleri, yüksek binalar üzerindeki rüzgar
etkilerini ve tasarım ilkelerini belirlemek için en çok kullanılan
testlerdir. Bina geometrisinin aerodinamik rüzgar tüneli
testlerinde modellenebilen tek parametre olması nedeniyle,
binanın dinamik özelliklerinin etkisinin analitik yöntemlerle
düşünülmesi gerekmektedir. Bunun yanında, bina üzerindeki,
rüzgar etkilerini tasarlamak için, aerodinamik veri ile binanın
inşa edileceği yerin iklimsel verilerinin sentezlenmesi
gerekmektedir [15].
Rüzgar tüneli testlerini gerçekleştirebilmek için inşa edilen
ilk laboratuvar, uçan bir makine tasarlamak ve bu makine
yüzeyine etkiyen kaldırma ve sürükleme kuvvetlerini analiz
etme ihtiyacından oluşmuştur. 1740 ve 1950 yıllarında, bir
İngiliz matematikçi olan Benjamin Robins hava hareketlerini
simüle etmek için duran bir nesneden hava hareketlerinin geçişi
fikrini kullanmıştır [15].
1890 ve 1950 lerden bu yana, bina modelleri ve toplu taşıma
çalışmalarında rüzgar tüneli testleri basınç ölçümleri
gerçekleştirilmiştir. Diğer taraftan, bu dönemde kullanılan
rüzgar tünelleri doğal rüzgarı simüle etmeye uygun
tasarlanmamıştır. Ulusal Fizik Laboratuvarı ve Colorado State
üniversitesinde gerçekleştirilen konuyla ilgili rüzgar tüneli
çalışmaları, rüzgar yükü altında bir yapısal davranışın iyi bir
şekilde simülasyonunun sağlanması için uygulanan rüzgarın
doğal rüzgara benzer olması gerektiğini göstermiştir [15].
Resim 2.2. Petronas Twin Tower Binası [12]
Silindir (dairesel) ya da elips biçimli formdaki binalara etkiyen
rüzgar basıncı tasarım yükünün dikdörtgenler prizması şeklinde
Sonuç olarak, atmosferik sınır tabakasını oluşturabilen ilk
rüzgar tüneli, 1955-1957 yılları arasında tasarlanarak, yapımı
1962 yılında Colorado State Üniversitesinde tamamlanmıştır.
Uzun test bölümü (29.3 m) ısıtma ve soğutma yetenekleri ile
birlikte rüzgar tünelinde, kalın türbülanslı sınır tabakaları
geliştirmek ve doğal rüzgar özelliklerini simüle etmek
mümkün olmuştur. Bir yüksek bina için ilk büyük sınır tabakası
rüzgar tüneli çalışması, Colorado State Üniversitesinde
yer alan rüzgar tünelinde New York’ta 1960 larda Dünya
Ticaret Merkezi ikiz kulelerinin tasarımı için kullanılmıştır.
1980 ve 1995 yılları boyunca, rüzgar ve dalga kuvvetini
simüle edebilme ve otomatik yüzey pürüzlülüğü oluşturma
gibi bazı gelişmiş özelliklere sahip çok sayıda sınır tabakası
rüzgar tünelleri, Batı Ontario Üniversitesi (Kanada), Monash
Üniversitesi (Avustralya), Bayındırlık Araştırma Enstitüsü
(Japonya) [15].
437
2nd International Sustainable Buildings Symposium
bina üzerindeki rüzgar akışları simüle edilmiştir.
Şekil 3.1. Rüzgar tüneli testi model örneği [16]
Şekil 3.3. Bina modeli üzerindeki rüzgar akışı simülasyonu [19]
Şekil 3..1.’de rüzgar tüneli testi modeli örneği görülmektedir.
Bu rüzgar tüneli testlerinde, yüksek binalarda rüzgarın etkisini
analiz etmek için genel olarak üç çeşit deney yapılmaktadır.
Bu simülasyon çalışmasında, yüksek binaların etrafında rüzgar
etkisi ile oluşan mevcut formülasyonun sirkülasyon şekillerinin
birçoğunu yeniden oluşturabilme özelliğine sahip olduğu
gözlemlenmiştir. Yapılan deneysel gözlemler ile zeminde oluşan
at nalı şeklindeki rüzgar akışı, yapının ön ve arka cephelerinde
oluşan sirkülasyon bölgeleri, çatı köşelerinde oluşan konik
rüzgar akışları ve yan ve ön duvarlarda oluşan ayrım ve birleşim
bölgeleri gibi sirkülasyon şekilleri elde edilmiştir [19].
•
Senkron çoklu basınç tarama sistemi (Synchronous multipressure scanning system) (SM-PSS)
•
Yüksek frekans temel dengesi (High frequency base
balance) (H-FBB)
•
Aeroelastik model testleri (Aeroelastic model tests) [15]
Rüzgar tüneli testlerinde özel veri kazanım sistemlerinden
yaygın olarak yüksek frekans temel dengesi (High frequency
base balance) kullanılmaktadır.
438
3.2. Bina Aerodinamiğinin Rüzgar Tüneli Testleri ile Analizi
Yüksek binaların inşa ekonomisi, rüzgarın hızının yükseklikle
artması nedeniyle rüzgar enerjisinden etkilenmektedir.
Rüzgar yükü ve hareketleri, binaya etkiyen rüzgarın yönü
ve dinamikliği ile ilişkilidir. Rüzgarın bina üzerindeki etkisi
aynı zamanda binanın formuna da bağlıdır. Bu nedenle, bina
formunun aerodinamiği yüksek binaların tasarım aşamasında
düşünülmesi gereken bir parametredir [17].
Yükseklik değiştikçe bina formunun da değiştirilmesi (örn; kare
formdan daire forma) ile de aynı etki elde edilebilmektedir.
Bina formunun rüzgar enerjisi üzerindeki etkisini incelemek
için kullanılan en iyi yöntem rüzgar tüneli testidir. Ancak, ticari
rüzgar tüneli laboratuvarlarında yüzlerce yüksek bina test
edilmesine rağmen, bu yüksek binaların performansları ile ilgili
sadece sınırlı bilgi elde edilmiştir [17].
Mimarisi, yapısal özellikleri veya konumu nedeniyle (örneğin
geometrisi, yüksekliği, kesiti, kullanılan malzeme, bulunduğu
mevki veya çevresindeki binalar gibi) standard olmayan yüksek
binaların rüzgar davranışının ortaya çıkarılabilmesi için genelde
rüzgar tüneli deneyleri gerekir [18].
Bu bağlamda, Şekil 3.3..’de görülen Braun ve Awrunch’ın
çalışmasında; bina ve rüzgar ilişkisini incelemek için simülasyon
programı (rüzgar tünel testi) kullanılmıştır. Test çalışmasında
dikdörtgenler prizması formuna sahip bir bina modellenerek
4. Sonuç ve Öneriler
Rüzgar enerjisi ve bina ilişkisi (bina aerodinamiği) konusunda
birçok araştırma ve çalışma gerçekleştirilmiştir. Rüzgar
hızının yükseklikle artması ve rüzgar enerjisinin yükseklikle
doğru orantılı olması nedeniyle, rüzgar ile binanın bütünleşik
tasarlanması gerektiği tespit edilmiştir. Literatürde yapılan
çalışmalar sonucunda rüzgarın yüksek binalar üzerinde
ciddi etkilerinin bulunduğu ortaya konularak bu aerodinamik
etkilerin olumlu hale dönüştürülebilmesi için çözüm önerileri
ortaya konulmuştur.
Bina yüksekliği, binanın plan kesit alanının binanın yüksek
bölümlerinde küçültülmesi, konik kesit, heykelsi üst bölüm,
bina cephesine açıklıkların eklenmesi gibi mimari tasarımda
gerçekleştirilebilecek bazı aerodinamik değişiklikler, rüzgar
etkisini farklılaştırarak binaya etkiyen rüzgar yükünü de
değiştirmektedir. Bina cephesinde özellikle çatıya yakın
bölümlerinde oluşturulan açıklıklar yapıya etkiyen rüzgar
yükünün olumsuz etkilerini azaltarak, bina aerodinamiğini
olumlu hale dönüştürmektedir.
Ayrıca, silindir, elips, üçgen ve dörtgen bina formlarının bina
aerodinamiği üzerinde farklı etkileri bulunmaktadır. Dörtgen
forma sahip olan binalara rüzgar basıncı, silindir (daire) ya da
elips biçimli formdaki binalara daha az etkimektedir.
Bu nedenle, yüksek binalarda bina formunun tasarım
aşamasından itibaren rüzgar tüneli testlerinin gerçekleştirilerek
optimum tasarım formlarının elde edilmesi gerekmekte ve
böylece, bina formunun mimari tasarımı yönlendiren en önemli
özellik olarak karşımıza çıkmaktadır.
28 - 30th May 2015 | Ankara - TURKIYE
Yüksek binalar, önemli tasarım kararları gerektiren dev
projelerdir. Bu nedenle, yüksek binalarda rüzgar etkisi bu tasarım
kararlarını ve binanın form ve strüktürel özelliklerini etkileyen
unsurların başında gelmektedir. Yüksek ve narin binalarda, bina
hareketleri problemi ve bu hareketlerin kullanıcı konforuna
etkisini çözümlemek de bir diğer tasarım parametrisidir.
Sonuç olarak, uygun bina formu seçimi bina etrafında
aerodinamik kuvvetlerin azaltılması ile sonuçlanmaktadır.
Bu yöntem, orijinal bina formu ile karşılaştırıldığında rüzgar
yüklerini hafifletebilmektedir. Literatürde yer alan yüksek
binaların rüzgar tüneli testleri temelinde, bazı aerodinamik
modifikasyonların yüksek binaların rüzgar uyarısını azalttığı
açıkça farkedilmektedir.
Kaynaklar
[1]. Ciravoğlu, A., “Sürdürülebilirlik Düşüncesi-Mimarlık Etkileşimine
Alternatif Bir Bakış: Yer’in Çevre Bilincine Etkisi”, Doktora Tezi, Yıldız
Teknik Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, İstanbul, 1-3 (2006).
[2]. Kırkan, S., “Çok Katlı Yapıların Tasarımına Etki Eden Faktörlerin
İrdelenmesi”, Yüksek Lisans Tezi, Dokuz Eylül Üniversitesi Fen
Bilimleri Enstitüsü, İzmir, (2005).
[3]. Çelik E. G., “Yüksek Binalar ve İstanbul”, Mimarist Dergisi, 24: 51,
(2007).
[4]. Demir, N., “Yüksek Yapılar ve Sürdürülebilir Enerji”, Yüksek Lisans
Tezi, Yıldız Teknik Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, İstanbul, 5-17
(2011).
[5]. Semizoğlu, R., “Rüzgar Türbinlerinin Gökdelen Mimarisine Etkisinin
Tipolojik İncelenmesi”, Yüksek Lisans Tezi, Yıldız Teknik Üniversitesi
Fen Bilimleri Enstitüsü, İstanbul, 23 (2009).
[6]. Park, S., “Tall Building Form Generation By Parametric Design
Process”, Doktora Tezi, College of The Illinois Institute of Technology,
Chicago Illinois, 2-9 (2005).
[7]. İnternet: Makina Mühendisleri Odası İstanbul Şubesi, “Sağlıklı
Kentler İçin Pasif İklimlendirme ve Bina Aerodinamiği”, http://www.
mmoistanbul.org/yayin/tesisat/103/4/ (2010).
[8]. Macdonald, A. J., “Wind Loading on Building”, Applied Science
Publication, London, 33-41 (1975).
[9]. İnternet: Whole Building Design Guide, “Wind Safety of The Building
Envelope”, http://www.wbdg.org/resources/env_wind.php (2010).
[10]. Braun A., Awruch A., “Aerodynamic and Aeroelastic Analyses on the
CAARC Standard Tall Building Model Using Numerical Simulation”,
Computers and Structures, Porto Alegra Brazil, (2009).
[11]. You, K., Kim, Y., “The Wind-induced Response Characteristics of
Atypical Tall Buildings”, The Strucural Design of Tall and Special
Buildings, Korea, 18: 217–233 (2009).
[12]. Ilgın, H. E, Günel, M. H., “The Role of Aerodynamic Modifications In The
Form of Tall Buildings Against Wind Excitation”, Metu JFA, Ankara,
2007/2: 17-25 (2007).
[13]. Ali, M., Armstrong, P., “Architecture of Tall Buildings”, McGraw-Hill
Book Company, New York, 52 (1995).
[14]. Schueller, W., “High-Rise Building Structures”, John and Wiley Sons
Inc., New York, 26-33 (1977).
[15]. Kayışoğlu, B., “Yüksek Binalarda Rüzgar Etkilerinin Rüzgar Tüneli
Deneyleriyle Tespit”, Yüksek Lisans Tezi, Ortadoğu Teknik Üniversitesi
Fen Bilimleri Enstitüsü, Ankara, (2011).
[16]. Warsido, W., P., “Reducing Uncertainties in Estimation of Wind Effects
on Tall Buildings Using Aerodynamic Wind Tunnel Tests”, Doktora Tezi,
Florida International University, Miami Florida, (2013).
[17]. Irwin, P., Kilpatrick J., Robinson J., Frisque, A., “Wind and Tall
Buildings: Negatives and Positives”, The Structural Design of Tall and
Special Buildings, 17; 915-928 (2008).
[18]. İstanbul Yüksek Yapılar Rüzgar Yönetmeliği, İstanbul Büyükşehir
Belediye Başkanlığı, İmar Müdürlüğü (2009).
[19]. Braun, A. L., Awrunch, A. M., “Aerodynamic Analysis of Buildings Using
Numerical Tools From Computational Wind Engineering”, Mecanica
Computacional, Arjantin, 1236-1251 (2007).
439